Двигун, пристрій - пристрій мотоцикла - мото розділ - каталог статей - motoclub - все про
Загальний пристрій і робота двигуна
На мотоцикли встановлюють двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ), в циліндрах яких теплова енергія палива, що згорає перетворюється в механічну роботу. Зворотно-поступальний рух поршня, що сприймає тиск газів, перетворюється в обертання колінчастого вала за допомогою кривошипно-шатунного механізму, який складається з циліндра, поршня з кільцями, поршневого пальця, шатуна і колінчастого вала. Крайні положення переміщається в циліндрі поршня називають мертвими точками - верхньою мертвою точкою (ВМТ) і нижньої мертвої точкою (НМТ). Відстань від ВМТ до НМТ називається ходом поршня, а утворене простір - робочим об'ємом циліндра. Повний внутрішній обсяг циліндра складається з робочого об'єму та об'єму камери згоряння. Ставлення повного обсягу до обсягу камери згоряння називається ступенем стиснення; чим вона вища, тим ефективніше відбувається робочий процес двигуна. Сучасні двигуни мають ступінь стиснення 9-10 одиниць (у спортивних моделей зустрічаються великі значення).
Поршневий двигун внутрішнього згоряння
1 - головка циліндра;
2 - циліндр;
3 - поршень;
4 - шатун;
5 - колінчастий вал;
6 - картер;
7 - свічка запалювання
У дво- і чотиритактних ДВС протікання робочого процесу і конструкція деталей не однакові. У чотиритактних двигунах робочий цикл відбувається за чотири ходи поршня (такти) і два оберти колінчастого вала: впуск - поршень опускається від ВМТ і засмоктує горючу суміш через відкритий впускний клапан; стиснення - піднімається від НМТ поршень стискає робочу суміш при закритих клапанах; робочий хід - суміш згорає, запаливши від електричної іскри, і утворюються гази, розширюючись, переміщають поршень вниз (цей хід поршня називається робочим, оскільки під час нього і відбувається корисна робота); випуск - рухомий вгору поршень виштовхує відпрацьовані гази через відкритий випускний клапан.
Робочий процес чотиритактного двигуна
а - впускання;
б - стиснення;
в - розширення (робочий хід);
г - випуск;
1 - впускний клапан;
2 - свічка запалювання;
3 - випускний клапан
Конструкція сучасного чотиритактного двигуна ( «БМВ-F650CS»)
1 - форсунка системи упорскування палива;
2 - багатоклапанні головка (DOHC);
3 - насос рідинної системи охолодження;
4 - поршень, розрахований на високу частоту обертання колінчастого вала;
5 - електростартер;
6 - датчик управління мікропроцесорними системами запалювання і харчування;
7 - масляний фільтр
У двотактних двигунах один робочий цикл відбувається за один оборот колінчастого валу. Інша їх особливість - відсутність клапанів (впускних і випускних) з механічним приводом. Їх роль виконує сам поршень, відкриваючи й закриваючи спеціальні вікна і канали на дзеркалі циліндра. Обсяг картера під поршнем також використовується при газообміні.
Робочий процес двотактного двигуна
а - впускання в кривошипну камеру, стиснення в циліндрі;
б - займання (до ВМТ) і подальше згоряння в циліндрі;
в - випуск відпрацьованих газів з циліндра і продування горючою сумішшю з картера;
г - схема пелюсткової клапана;
д - зовнішній вигляд пелюсткової клапана;
1 - продувний канал;
2 - випускний канал;
3 - свічка запалювання;
4 - пелюстковий клапан у впускному каналі;
5 - впускний канал;
6 - кривошипна камера;
7 - корпус пелюсткової клапана;
8 - обмежувач;
9 - пружна пластина
При русі поршня вгору від НМТ відбувається впуск робочої суміші в підпоршневу просторі, а в надпоршневом - спочатку витіснення відпрацьованих газів, що залишилися від попереднього циклу, а пізніше, коли вікна закриваються кромкою поршня - стиснення. Близько ВМТ суміш в камері згоряння запалюється електричною іскрою, що утворюється між електродами свічки. Палаюча паливно-повітряна суміш розширюється і штовхає поршень вниз - відбувається робочий хід. Опустившись приблизно на 2/3 свого ходу, верхня кромка поршня відкриває вікна в циліндрі. Відпрацьовані гази, що знаходяться під надлишковим давши-ленням, виходять через випускне вікно у випускну трубу. Через інші вікна в циліндр надходить свіжий заряд з порожнини картера, де опускається поршень створює надлишковий тиск. Це перетікання суміші називається продувкою, а вікна і канали - продувними.
Сучасні двотактні ДВС мають багатоканальну (3-7 каналів) зворотно-петлеву продування. Крім того, на вході в циліндр ставлять зворотний пластинчастий (пелюстковий) клапан, яким керує розрідження в картері. Під час впуску в картер (поршень рухається від НМТ до ВМТ) під дією розрідження в підпоршневу просторі пластинки клапана відкривають прохід горючої суміші від карбюратора. При зворотному русі поршня (під час продувки) надлишковий тиск в картері закриває пластини клапана, перешкоджаючи зворотному викиду суміші з картера в карбюратор. Пелюсткові клапан покращує наповнення циліндра, підвищує потужність і економічність двигуна, особливо на малих і середніх частотах обертання колінчастого вала. Багато двигуни також мають спеціальний механізм, що змінює висоту випускного вікна (а значить тривалість випуску) залежно від частоти обертання колінчастого вала двигуна (так званий «керований випуск»). Незважаючи на вжиті заходи щодо поліпшення газообміну двотактних ДВЗ, деяка частина суміші йде з відпрацьованими газами, що знижує їх економічність в порівнянні з чотиритактними.
Робочий процес як дво-, так і чотиритактних ДВС відбувається в циліндрі. Поршень переміщається по внутрішній поверхні (дзеркала) циліндра або вставною гільзи. У сучасних двигунах замість сталевих або чавунних гільз застосовують твердосплавні нікель-кремнієві композиції ( «Нікас»), напилені безпосередньо на алюмінієву основу циліндра. Залежно від прийнятого типу системи охолодження, сорочки циліндра мають ребра (повітряне охолодження) або внутрішні порожнини для проходу охолоджуючої рідини.
Поршень сприймає тиск газів при згорянні робочої суміші. Він складається з верхньої і нижньої частин (відповідно головки і спідниці) і бобишек кріплення поршневого пальця. Форма днища буває плоскою або випуклою, у чотиритактних двигунів в днище часто роблять виїмки під клапани. У спідниці поршня у двотактних двигунів виконані вирізи, через які проходить горюча суміш, адже у цих двигунів поршень керує газорозподілом (впусканням, продувкою і випуском).
Поршні двотактного (а) і чотиритактного двигунів (б)
1 - головка поршня;
2 - вибірки під клапани;
3 - компресійні кільця;
4 - маслос'емноє кільце;
5 - бобишки кріплення поршневого пальця;
6 - спідниця поршня;
7 - виріз під продувні вікно;
8 - маслоуловітельная порожнину (холодильник);
9 - виріз під додаткове продувні вікно
Головка поршня має потовщені стінки, в яких розміщуються 1-3 компресійних кільця, виготовлених зі спеціального чавуну або сталі. Ці кільця ущільнюють зазор між поршнем і дзеркалом циліндра, відводять теплоту в стінки циліндра. У чотиритактних двигунів, крім компресійних кілець, на поршні є маслос'емноє кільце, що видаляє надлишки масла з дзеркала циліндра.
Бобишки служать опорою для поршневого пальця, в них є проточки для стопорного кільця і отвори для мастила масляним туманом. Часто в зоні бобишек, на зовнішній поверхні поршня, роблять спеціальні поглиблення - холодильники.
Поршневий палець шарнірно з'єднує поршень з шатуном. Зазвичай застосовують плаваючу посадку пальця в бобишках поршня і верхньої голівці шатуна; його фіксація від осьових переміщень здійснюється пружинними стопорними кільцями в бобишках.
Шатун передає зусилля від поршня до колінчастого валу і складається з стрижня (двотаврового або еліптичного перетину) і головок: верхньої і нижньої. Залежно від типу двигуна і застосовуваної системи змащення, головки шатуна виконують з підшипниками ковзання (з втулками або вкладишами) або кочення (роликові, голчасті). Коли в нижній головці застосовують підшипник ковзання, саму головку виконують рознімної.
а - з рознімної нижньою головкою ( «Дніпро»);
б - з нероз'ємною нижньою головкою ( «Урал»);
1 - кришка шатуна;
2 - шатунний болт;
3 - шатун;
4 - сепаратор підшипника нижньої головки шатуна і ролики;
5 - вкладиші
Колінчастий вал сприймає зусилля від поршня (через шатун), перетворює його в обертальний рух і потім передає крутний момент до трансмісії. Крім того, від колінчастого вала приводяться в дію інші системи і механізми: газорозподільний механізм (ГРМ), масляний насос (в чотиритактних ДВС), генератор, насос системи охолодження, що врівноважують вали. Залежно від числа циліндрів двигуна і конструктивної схеми колінчастий вал може мати одне або декілька колін, кожне з яких утворено двома щоками і шатунной шийкою. Між колінами і по краях валу розташовуються корінні шийки, що спираються на підшипники.
Колінчасті вали виготовляють складовими, або нерозбірними (цілісними). Тип підшипників його опор (корінних шийок) залежить від застосовуваної системи змащення. Для підвищення плавності роботи двигуна (адже тільки один хід поршня є робочим, а решта - один у двотактного двигуна, і три у чотиритактного - вимагають витрати енергії) колінчасті вали мають виносний маховик, масивні щоки і противаги. Крім того, багато сучасних двигуни мають спеціальні врівноважують вали, що наводяться зубчастою передачею від колінчастого вала.
Колінчасті вали двоциліндрових двигунів
а - складовою ( «Урал»);
б - цілісний ( «Дніпро»);
1 - шатун з нероз'ємною нижньою головкою і підшипником;
2 - противагу;
3 - корінна шийка;
4 - шатунная шийка;
5 - щока
Картер виконують нероз'ємним або з площиною роз'єму (поздовжньої, поперечної). У чотиритактних двигунах картер (або його піддон) зазвичай є резервуаром для масла, що стікає з змащуваних деталей. Багато двигуни мають загальний картер зі зчепленням і коробкою передач. У двотактних багатоциліндрових двигунах обсяг картера кожного циліндра повинен бути відділений від інших, це ускладнює конструкцію картера при числі циліндрів від двох і більше.
Газорозподілом в чотиритактних ДВС керує розподільчий (або кулачковий) вал, який обертається в два рази повільніше колінчастого. При обертанні розподільний вал своїми виступами (кулачками) взаємодіє з штовхачами, які безпосередньо чи через передавальне ланка (коромисло, рокер) відкривають клапани (впускний і випускний); їх закриття відбувається під дією клапанних пружин. Періоди часу, коли відкриті впускні і випускні клапани, називаються фазами газорозподілу; вони узгоджені з ходами поршня.
Діаграма фаз газорозподілу чотиритактного двигуна
1 - відкриття впускного клапана;
2 - закриття впускного клапана;
3 - закриття випускного клапана;
4 - відкриття випускного клапана;
кут «a» - перекриття клапанів
Для кращого наповнення циліндра горючою сумішшю фазу впуску починають, коли поршень ще не дійшов до ВМТ. При подальшому ході поршня від ВМТ до НМТ він засмоктує через відкритий клапан горючу суміш; закінчують впуск після проходження НМТ, коли частина суміші надходить в циліндр за інерцією. Очищення циліндра від відпрацьованих газів починають також в кінці ходу розширення, коли поршень ще не дійшов до НМТ, але в циліндрі є надлишковий тиск. Потім, при ході поршня від НМТ до ВМТ поршень виштовхує відпрацьовані гази. Закривають випускний клапан після ВМТ, щоб дати частини відпрацьованих газів покинути циліндр за інерцією. Таким чином, існує період часу, коли обидва клапана відкриті, - його називають «перекриттям клапанів». Кожна модель чотиритактного двигуна має свої оптимальні фази газорозподілу, які задаються на заводі профілем кулачків розподільного вала. Деякі новітні мотоциклетні двигуни мають спеціальні пристрої, що дозволяють змінювати фази газорозподілу в залежності від частоти обертання колінчастого вала.
На сучасних чотиритактних ДВС застосовується кілька типів ГРМ: OHV, OHC, DOHC.
Схеми механізмів газорозподілу
а - OHV,
б - OHC,
в - DOHC;
г - привід розподільного вала ланцюгом;
д - привід клапана за схемою DOHC;
е - пятіклапанной головка двигунів «Ямаха»;
1 - розподільний вал;
2 - штовхач;
3 - штанга;
4 - важіль (коромисло);
5 - регулювальна шайба;
6 - сухарі фіксації тарілки;
7 - тарілка (підп'ятник);
8 - зовнішня пружина;
9 - внутрішня пружина;
10 - опорна шайба з маслос'емниє ковпачком;
11 - клапан;
12 - зірочка на колінчастому валу;
13 - черевик натяжителя;
14 - натягувач;
15 - приводний ланцюг;
16 - установча мітка на зірочці розподільного вала;
17 - заспокоювач ланцюга
У схемі OHV розташовані в голівці циліндра клапани приводяться від «нижнього» розподільного вала за допомогою штовхачів, штанг і коромисел; конструкція не забезпечує чіткої роботи механізму при високих частотах обертання колінчастого вала. Двигуни з ГРМ типу OHC мають «верхній» розподільчий вал, що впливає на штовхачі клапанів за допомогою важелів (рокерів); вал приводиться в обертання ланцюгом або зубчастим ременем. В сучасних багатоклапанних голівках з 4-5 клапанами на циліндр використовують два розподільчих вала, кожен з яких своїми кулачками безпосередньо впливає на штовхачі клапанів (схема DOHC). Така конструкція має мінімум деталей і через це знижена інерційність приводу клапанів, що дозволяє підвищити частоту обертання колінчастого вала двигуна, а значить, і його потужність; ГРМ типу DOHC знаходять все більш широке поширення.
Розподільчий вал приводиться від колінчастого вала зубчастої, ланцюгової передачею або за допомогою зубчастого ременя. В останніх двох випадках двигуни мають натяжители і заспокоювачі ланцюга (ременя).
Для нормальної роботи клапанного механізму між стрижнем клапана і його приводом повинен завжди бути тепловий зазор (0,05-0,15 мм). Коли зазору немає, клапани закриваються нещільно, внаслідок чого обгорають і виходять з ладу. При збільшеному зазорі вони відкриваються не повністю (втрачається потужність) і, крім того, стукають. Багато двигуни зарубіжних мотоциклів мають ГРМ з гідрокомпенсаторами (працюють від тиску в системі мастила), автоматично підтримують необхідні клапанні зазори. Якщо така система не передбачена, зазор регулюють при технічному обслуговуванні (ТО).
Чотиритактні двигуни конструктивно складніше двотактних, оскільки мають додатково ГРМ і систему мастила. Проте, починаючи з 70-х років ХХ століття, вони мають переважне поширення на мотоциклах через більш «чистого» згоряння і кращої економічності. В даний час в розвинених країнах мотоцикли з двотактними двигунами мають обмежене застосування - це старі моделі, спортивні мотоцикли і мопеди; в доступному для огляду майбутньому, зокрема в Європі, очікується повне припинення виробництва цих двигунів через вкрай негативного впливу на навколишнє середовище.
Циліндрів мотоциклетних двигунів найчастіше буває 1, 2 і 4, хоча зустрічаються 3, 6 і навіть 10-циліндрові. Вони мають різноманітні компонування: рядні (поздовжні і поперечні), V- і L-образні, горизонтальні оппозітниє. Робочий об'єм двигунів серійних мотоциклів зазвичай не перевищує 1500 см3, потужність 150-180 к.с.
Розташування циліндрів двигунів сучасних мотоциклів
а - одноциліндровий двотактний;
б - одноциліндровий чотиритактний;
в - двотактний рядний з поперечним розташуванням колінчастого вала;
г - чотиритактний рядний з поперечним розташуванням колінчастого вала;
д - чотиритактний V-подібний з поздовжнім розташуванням колінчастого вала;
е - чотиритактний V-подібний з поперечним розташуванням колінчастого вала;
ж - чотиритактний рядний з поперечним розташуванням колінчастого вала;
з - двотактний трициліндровий L-подібний з поперечним розташуванням колінчастого вала;
і - чотиритактний двоциліндровий з оппозитним розташуванням циліндрів;
до - чотиритактний чотирициліндровий з оппозитним розташуванням циліндрів